Бионические люди

Медицинские технологии, которые действительно могут сделать нас лучше, быстрее, сильнее…

Специалисты по бионике и биомедицинской инженерии создают устройства, которые частично заменяют или поддерживают утраченные функции организма: протезы конечностей, имплантаты органов чувств, искусственные клапаны и системы механической поддержки кровообращения. Однако современная медицина не умеет «собрать заново» весь человеческий организм: многие органы и их взаимосвязи пока невозможно полноценно заменить техникой.

Бионическая конечность отражает строение человека. Твердые материалы, такие как алюминий и углеродное волокно, заменяют скелет, двигатели и гидравлика отвечают за движение конечности, сухожилия заменяются пружинами, которые сохраняют и высвобождают потенциальную энергию упругой деформации. Контроллер управляет приводами протеза по сигналам датчиков. В миоэлектрических системах команды получают, например, по электрической активности оставшихся мышц; существуют и более сложные нейромышечные интерфейсы. Поэтому выражение «управление мыслью» удобно как популярное описание, но обычно между намерением человека и движением протеза есть мышцы, электроды и алгоритмы обработки сигналов.

Ученые работают над заменой отдельных мышц и сухожилий после травм. Искусственные мышцы формируются из полимерного геля, который расширяется и сжимается в ответ на электрические сигналы, подобно человеческим мышцам. Сухожилия состоят из тонких синтетических волокон, которые способны работать почти как настоящая соединительная ткань.

Механическую функцию конечности сравнительно удобно частично воспроизводить приводами и шарнирами. С внутренними органами задача намного сложнее. Например, механические системы могут временно поддерживать или заменять насосную функцию сердца у отдельных пациентов, а аппараты искусственной вентиляции и экстракорпоральной мембранной оксигенации поддерживают дыхание и газообмен, но это не означает полноценной механической копии легких.

К примеру, кохлеарный имплантат преобразует звук в электрические сигналы и стимулирует слуховой нерв, обходя поврежденные волосковые клетки внутреннего уха. Некоторые экспериментальные и ранее выпускавшиеся имплантаты сетчатки использовали внешнюю камеру и электроды для стимуляции сохранившихся клеток зрительной системы. Такие устройства не восстанавливают обычное зрение или слух полностью. Ведется активная работа над созданием бионических датчиков осязания. Например, Калифорнийский университет в Беркли разрабатывает сенсорную электронную кожу, получившую название e-skin и представляющую собой покрытие из датчиков давления в гибкой пластиковой оболочке. Такая искусственная кожа позволит людям ощущать прикосновения к их бионическим конечностям.

Ведутся непрерывные исследования в области замены целых органов. Однако очень сложно воссоздать все специализированные биологические функции каждого пострадавшего органа.

Намного проще с помощью бионики заменить утраченную функциональность, если повреждения коснулись органа только частично. При диабете 1 типа продуцирующие инсулин бета-клетки поджелудочной железы разрушаются иммунной системой.

Сегодня при диабете 1 типа применяются системы автоматизированной подачи инсулина (AID): непрерывный монитор глюкозы передает данные алгоритму, который корректирует работу инсулиновой помпы. Их иногда называют системами «искусственной поджелудочной железы», хотя они не воспроизводят все функции органа и во многих режимах по-прежнему требуют участия пользователя. Параллельно исследователи развивают трехмерную биопечать клеток и тканей.

Биопечать уже позволяет создавать исследовательские тканевые структуры, однако печать полноразмерных, васкуляризованных и готовых к обычной клинической пересадке сложных органов остается нерешенной задачей. Современные протезы тоже обычно стремятся не «превзойти человека», а вернуть конкретные утраченные функции. Поэтому развитие бионики впечатляет, но между отдельным техническим компонентом и полноценной заменой органа остается большая дистанция.

Управление протезом силой мысли

Один из способов сделать управление протезом более интуитивным — целевая мышечная реиннервация (TMR). Это хирургическая методика перенаправления оставшихся нервов к другим мышцам, электрическая активность которых затем может служить дополнительными управляющими сигналами для протеза.

Ученый управляет инвалидным креслом, используя нейрокомпьютерный интерфейс

Это революционная хирургическая техника, которая перенаправляет нервы ампутированной конечности. Оставшиеся нервы, которые раньше тянулись к мышцам недостающей руки, перенаправляются к существующей мышце.

Когда человек намеревается выполнить движение отсутствующей рукой, нервный сигнал приходит к реиннервированной мышце. Ее электрическую активность регистрируют электроды, а система управления протезом распознает характер сигнала и связывает его с нужным движением.

Протез преобразует распознанные комбинации мышечных сигналов в команды приводам. Число датчиков, суставов и приводов сильно различается у разных систем, поэтому единого набора характеристик для «самых сложных протезов» не существует.

Совместимые материалы

Одним из наиболее важных факторов в биомедицинской инженерии является биосовместимость — взаимодействие различных материалов с биологическими тканями.

Материалы для имплантатов подбирают с учетом биосовместимости: они должны вызывать приемлемую реакцию тканей и сохранять нужные свойства в организме. Полностью «инертных» материалов в буквальном смысле почти не бывает. Они могут включать титан, силикон и пластики, такие как PTFE (политетрафторэтилен — тефлон). Искусственные сердечные клапаны часто покрыты слоем сетчатой ткани, сделанной из того же пластика, который используется для бутылок с безалкогольными напитками, — дакрона. В биологическом контексте пластиковая сетка служит инертным каркасом, позволяя тканям сердца нарастать над клапаном, закрепляя его на месте. Некоторые каркасы, используемые в имплантатах, являются биоразлагаемыми, они обеспечивают временную поддержку растущей ткани, а затем безвредно растворяются в организме.

Искусственные сердечные клапаны часто делают из металла, например, из титана или стали

Бионические конечности носят на теле, поэтому материалы для них выбираются исходя из их прочности и гибкости, а не биосовместимости. Для создания отдельных элементов протеза используются алюминий, углеродные волокна и титан, что обеспечивает огромную механическую прочность.

Сборка бионического человека

Технологические достижения позволяют создавать конечности с компонентами, имитирующими функции скелета, мускулатуры, сухожилий и нервов человеческого тела. Для замены органов чувств могут быть использованы микрофоны, камеры, датчики давления и электроды.

В отдельных тяжелых случаях насосную функцию сердца можно временно поддерживать механическими устройствами или заменить искусственным сердцем. Такие системы имеют строгие показания и ограничения и не являются улучшенной версией здорового человеческого сердца.

Бионические конечности

В последние несколько десятилетий в сфере создания протезов конечностей произошел скачок. Они по-прежнему сохраняют характерные особенности, такие как внутренний каркас для структурной поддержки и приемное гнездо для присоединения к месту ампутации, однако современные модели способны воспроизводить все более разнообразные и естественные движения. Вместо мышц используются двигатели, вместо сухожилий — пружины и вместо нервов — провода.

Движение большинства протезов контролируется извне, с использованием кабелей, прикрепленных к другим частям тела, или с помощью ряда кнопок и переключателей. Появляются новые технологии, позволяющие человеку осуществлять движение бионической конечности с помощью мыслей. Следующим логическим шагом в этом процессе является разработка технологии, которая позволит протезной конечности ощущать прикосновения и передавать информацию об этом человеку. Исследователи, финансируемые Агентством передовых оборонных исследовательских проектов (DARPA), разработали технологию под названием FINE, которая обеспечивает непосредственный контакт нервов с электродами, позволяя передавать в мозг информацию с датчиков.

Имплантат сетчатки Argus II компании Second Sight (исторический пример)

В системе Argus II камера на очках передавала данные на имплантат с 60 электродами, который стимулировал сохранившиеся клетки сетчатки и давал пользователям ограниченное зрительное восприятие. Это важный исторический этап: Second Sight прекратила выпуск Argus II в 2019 году, поэтому устройство не следует описывать как современный доступный имплантат.

Звуковой процессор Nucleus 6 компании Cochlear (пример предыдущего поколения)

Nucleus 6 — звуковой процессор предыдущего поколения семейства Cochlear Nucleus. Принцип работы кохлеарной системы удобно показать на этом примере: она включает внешние и имплантируемые компоненты. Микрофон, размещаемый около уха, регистрирует звук и передает сигнал звуковому процессору. Затем процессор выравнивает сигнал и отправляет его на встроенный передатчик. Передатчик направляет сигнал имплантированному приемнику/стимулятору, который преобразует его в электрические сигналы для электродов. Наконец, эти сигналы передаются на слуховой нерв.

Искусственное сердце Total Artificial Heart компании SynCardia Systems

Пластиковое сердце может быть имплантировано для замены двух желудочков сердца. Для замены клапанов служат пластиковые трубки, а к ним уже прикрепляются две искусственные камеры. Сердце подключается к пневматическому насосу, который носится в рюкзаке, и посылает воздушные потоки в камеры, создавая давление, необходимое для прокачки крови по сосудам тела.

Приведенные в старых публикациях цены на имплантацию быстро устаревают и зависят от страны, клиники и системы оплаты. Важнее, что SynCardia TAH относится к временным искусственным сердцам и в США одобрено как «мост» к трансплантации для определенной группы пациентов.

Будущее бионики

1. Трехмерная биопечать. Исследователи печатают клеточные конструкции и ткани с использованием биочернил и поддерживающих материалов. Главная трудность при создании крупных органов — сформировать работающую сосудистую сеть, обеспечить питание клеток и долговременную функцию. Полноценные сложные органы, напечатанные на 3D-принтере, пока не стали обычными трансплантатами.
2. Экзоскелет.Компания Ekso Bionics разрабатывает бионические экзоскелеты, чтобы люди с параличом нижних конечностей могли ходить. Экзоскелет поддерживает тело пациента и с помощью датчиков движения регистрирует жесты, а затем преобразует их в движения.
3. Искусственная почка. Ученые из Калифорнийского университета в Сан-Франциско работают над созданием бионической почки. Размером приблизительно с бейсбольный мяч, она содержит мембраны с наноотверстиями для фильтрации поступающей крови. Также она будет содержать искусственные почечные клетки.
4. Рукотворный иммунитет. Ученые создали искусственные клетки под названием лейко-полимеросомы, которые имитируют клетки иммунной системы. Они могут определять поврежденные ткани и доставлять лекарственные вещества к пораженным местам в теле человека, в частности к раковым клеткам.
5. Роботизированные клетки крови. Сотрудники Института молекулярной технологии разрабатывают нанотехнологии, которые могут повысить способность крови к насыщению кислородом. Известные под названием «респироциты», клетки производятся атомом за атомом — в основном из углерода

Источники для проверки фактов: обзоры 2025–2026 годов по автоматизированной подаче инсулина и целевой мышечной реиннервации; FDA — SynCardia Temporary Total Artificial Heart; Cochlear — актуальная линейка Nucleus; документы Second Sight по прекращению Argus II.